公路隧道場(chǎng)景下V2V信道測(cè)量及特性分析

曾莉

摘要 為探索公路隧道運(yùn)行環(huán)境下V2V信道受車輛衍射、隧道內(nèi)壁反射、附屬設(shè)施布置密集影響下的傳播特性，文章在可視距（LOS）、部分視距（OLOS）、不可視距（NLOS）場(chǎng)景下利用寬帶信道探測(cè)器并使用5.2 GHz的載波頻率和帶寬，對(duì)隧道內(nèi)V2V信道展開(kāi)測(cè)量。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建起不同場(chǎng)景下接收信號(hào)幅值衰落分布及路徑損耗模型，對(duì)V2V信道衰落特性展開(kāi)分析。結(jié)果顯示，NLOS場(chǎng)景下陰影衰落和路徑損耗指數(shù)均較大，其接收信號(hào)幅度衰落服從瑞利分布，均方根延遲擴(kuò)展符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，NLOS場(chǎng)景的時(shí)域彌散也更大。

關(guān)鍵詞 隧道；場(chǎng)景；V2V信道；測(cè)量；特性

中圖分類號(hào) U453文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B文章編號(hào) 2096-8949（2024）06-0025-03

0 引言

在建設(shè)智慧交通的過(guò)程中，車聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮著關(guān)鍵性作用，通過(guò)人、車、路、環(huán)境之間的有機(jī)結(jié)合，提升交通運(yùn)行的安全性與效率性。隨著隧道建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，隧道場(chǎng)景下車輛對(duì)車輛（Vehicle-to-vehicle，V2V）的通信便成為智慧交通的重要組成部分。所以，深入研究隧道場(chǎng)景下V2V信道特性對(duì)于建設(shè)智慧交通具有積極意義。傳統(tǒng)的信道模型對(duì)V2V信道并不適用，該文主要在5.2 GHz頻段下展開(kāi)隧道環(huán)境V2V信道測(cè)量，并根據(jù)交通運(yùn)行實(shí)際，將測(cè)量分成可視距（LOS）、部分視距（OLOS）、不可視距（NLOS）等類型，展開(kāi)大小尺度衰落特性分析和模型構(gòu)建，為公路隧道場(chǎng)景下V2V信道測(cè)量、道路信息高質(zhì)量傳遞及智慧交通建設(shè)提供參考。

1 通信場(chǎng)景及仿真環(huán)境

隧道結(jié)構(gòu)屬于內(nèi)部墻壁粗糙、空間有限的狹長(zhǎng)形半封閉空間，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部電波傳播過(guò)程會(huì)受到隧道尺寸、截面形狀、收發(fā)距離、附屬設(shè)施、地質(zhì)條件[1]等的影響。為此，在構(gòu)建隧道信道模型時(shí)，必須保證通信場(chǎng)景。

與蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，V2V具有高移動(dòng)性和無(wú)線信道時(shí)變性，廣義平穩(wěn)性較差。場(chǎng)景、天線及頻段部署、車輛等均為V2V通信的影響因素。高速公路隧道中收發(fā)車輛和周圍行車均處于不斷變化狀態(tài)，對(duì)電磁信道的影響較大。考慮OLOS部分視距場(chǎng)景較為接近現(xiàn)實(shí)，故該場(chǎng)景細(xì)分十分必要，也為無(wú)線系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了良好的仿真環(huán)境。

2 信道測(cè)量

2.1 測(cè)量環(huán)境

測(cè)量活動(dòng)在某高速公路K441+058～K443+011樁號(hào)段的隧道中展開(kāi)，該隧道長(zhǎng)1.953 km，寬2×14 m，高4.8 m，為單向雙車道結(jié)構(gòu)，其中包括2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)寬度的行車道和1個(gè)應(yīng)急車道，隧道為矩形斷面。該隧道周圍樹(shù)木、車流量、交通標(biāo)示、漸變側(cè)墻等散射體眾多，增大了測(cè)量信道的復(fù)雜性。

V2V信道測(cè)量的移動(dòng)端為1輛越野車和1輛廂式貨車；RUSK-DLR寬帶信號(hào)探測(cè)器設(shè)備主要為德國(guó)進(jìn)口，用于信道時(shí)頻域特性測(cè)量。車身長(zhǎng)4.866 m，寬

1.984 m，高1.977 m的奔馳越野車為發(fā)射端搭載平臺(tái)；車身長(zhǎng)5.37 m，寬1.928 m，高1.88 m的奔馳廂式貨車為接收端搭載平臺(tái)。在以上發(fā)射車和接收車車頂固定放置收發(fā)全向天線和傳感器，車內(nèi)配置收發(fā)設(shè)備和攝像頭等。施測(cè)期間，接收車始終運(yùn)行于信號(hào)發(fā)射車前方，兩車行駛速度均應(yīng)控制在10～20 m/s范圍內(nèi)，因路況等方面的影響，發(fā)射車和接收車間的實(shí)際距離實(shí)時(shí)變動(dòng)。

為保證各時(shí)刻天線位置均能被準(zhǔn)確獲取，在以上測(cè)試車輛上均加裝GNSS接收器，以展開(kāi)GPS衛(wèi)星信號(hào)的實(shí)時(shí)接收。以上定位技術(shù)的信號(hào)傳輸在隧道內(nèi)部運(yùn)行環(huán)境下存在滯后性，故在測(cè)試車輛上同時(shí)搭載LIDAR激光雷達(dá)及MTI-G-710跟蹤單元，在確保公路隧道內(nèi)信息平穩(wěn)收發(fā)的同時(shí)，還能展開(kāi)隧道內(nèi)部運(yùn)行特征數(shù)據(jù)的測(cè)量及記錄，對(duì)隧道內(nèi)車輛進(jìn)行定位。

在施測(cè)過(guò)程開(kāi)始前還應(yīng)進(jìn)行時(shí)鐘校對(duì)，以保證IMU單元時(shí)鐘和GPS時(shí)鐘運(yùn)行的同步性；此后對(duì)公路隧道內(nèi)車輛的行進(jìn)速度、運(yùn)行狀態(tài)等展開(kāi)測(cè)量。考慮IMU單元具備測(cè)量誤差累積屬性，為保證測(cè)值準(zhǔn)確，還應(yīng)借助激光雷達(dá)展開(kāi)測(cè)試過(guò)程及結(jié)果監(jiān)督。

2.2 發(fā)射機(jī)與接收機(jī)間的測(cè)量場(chǎng)景

2.2.1 LOS場(chǎng)景

即收發(fā)車間無(wú)視線阻礙，分量主要表現(xiàn)為直射類型。此次檢測(cè)過(guò)程中總共選取45 s數(shù)據(jù)，通過(guò)比較該場(chǎng)景下兩車運(yùn)行速度（見(jiàn)表1）可以看出，接收機(jī)運(yùn)行速度始終保持在15.5～18 m/s之間，而發(fā)射機(jī)運(yùn)行速度則維持在14～19.2 m/s之間。整個(gè)場(chǎng)景運(yùn)行期間，接收機(jī)始終位于發(fā)射機(jī)正前方。

2.2.2 OLOS場(chǎng)景

即收發(fā)車輛間存在部分視線阻礙，具體而言，試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)在收發(fā)車間設(shè)置一輛車身長(zhǎng)4.658 m，寬1.884 m，高1.685 m的小型車輛并以S線路運(yùn)行，以模擬視線部分受阻的動(dòng)態(tài)運(yùn)行情形。根據(jù)該場(chǎng)景速度變化情況（見(jiàn)表2）可以看出，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)運(yùn)行速度分別在13.4～15.2 m/s和10～13.5 m/s之間，發(fā)射機(jī)速度始終小于接收機(jī)，且兩車距離不斷拉大。

2.2.3 NLOS場(chǎng)景

即收發(fā)車間的視線完全受阻，通過(guò)在收發(fā)車間設(shè)置1輛3.0～3.5 m高的大型貨車以及與OLOS場(chǎng)景相同型號(hào)的2輛小型車輛，貨車及小型車輛在隧道內(nèi)始終保持直線行駛，以模擬這種情況。考慮貨車高度較大，后方發(fā)射車在隧道內(nèi)運(yùn)行期間可視距完全被遮擋。根據(jù)該場(chǎng)景下的速度變換測(cè)值（見(jiàn)表3），接收機(jī)和發(fā)射機(jī)速度分別為12～13.5 m/s和17.5～22.5 m/s，兩車距離不斷增大。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.3.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

包括信道傳遞函數(shù)、功率、GPGGA等在內(nèi)的V2V信道數(shù)據(jù)以.DLR1_DISK文件形式存儲(chǔ)，必須通過(guò)ruskimport_64工具包獲取信道信息，并以.mat文件存儲(chǔ)。信道傳輸函數(shù)頻移則通過(guò)MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而展開(kāi)逆傅里葉變換[2]，得出信道沖擊響應(yīng)并保存。

V2V信道慣導(dǎo)數(shù)據(jù)通常以.mat文件存儲(chǔ)，此后由MT manager軟件處理后導(dǎo)出.txt和.kmz格式文件，將兩類不同格式文件分別導(dǎo)入MATLAB軟件和google earth軟件，進(jìn)而得出不同方向運(yùn)行速度、加速度、經(jīng)緯度等信息以及收發(fā)車輛運(yùn)行軌跡。

2.3.2 無(wú)線信號(hào)傳播距離計(jì)算

收發(fā)天線距離可通過(guò)經(jīng)緯度、時(shí)延估計(jì)、慣導(dǎo)計(jì)算等方法[3]確定。其中，慣導(dǎo)數(shù)據(jù)中旋轉(zhuǎn)矩陣最為重要。為展開(kāi)收發(fā)兩端位置的預(yù)測(cè)，各時(shí)刻加速度應(yīng)為前一時(shí)刻加速度和旋轉(zhuǎn)矩陣之積；各時(shí)刻速度為前一時(shí)刻速度和該時(shí)刻加速度的積分求和。根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻加速度與上一時(shí)刻速度，便可求得當(dāng)前方向的速度。根據(jù)上述三個(gè)方向的速度和，便可得出收發(fā)端速度；再結(jié)合距離與速度差在單位時(shí)間內(nèi)積分求和，便得出收發(fā)端距離。

發(fā)射機(jī)發(fā)出的無(wú)線信號(hào)到達(dá)并被接收機(jī)接收存在一定時(shí)延，其間的傳播距離為傳播時(shí)延和光速的乘積[4]，公式表示如下：

dtr=τlos·c （1）

式中，dtr——無(wú)線信號(hào)傳播距離（m）；τlos——LOS視距下傳播時(shí)延（s）；c——光速，取3×108 m/s。

根據(jù)式（1）進(jìn)行該隧道一個(gè)檢測(cè)段落無(wú)線信號(hào)收發(fā)距離計(jì)算。根據(jù)結(jié)果，延時(shí)估計(jì)得到的收發(fā)距離與SAGE估計(jì)基本一致，但與實(shí)際收發(fā)距離存在5 m的差距。通過(guò)幾種方法的結(jié)合應(yīng)用，可得出隧道內(nèi)收發(fā)兩端的具體距離。

2.3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過(guò)動(dòng)態(tài)選擇噪聲閾值的操作進(jìn)行信道沖激響應(yīng)相關(guān)數(shù)據(jù)預(yù)處理，此類技術(shù)對(duì)于V2V傳輸情境下的終端移動(dòng)特征較為適應(yīng)；同時(shí)，能確保借助時(shí)變閾值處理時(shí)變信道過(guò)程及結(jié)果的合理性，對(duì)于移動(dòng)終端處于公路隧道等噪聲波動(dòng)較大場(chǎng)景的情形亦適用。根據(jù)信道沖激響應(yīng)變化趨勢(shì)可以看出，低于信道沖激響應(yīng)噪聲門限的值將被系統(tǒng)自動(dòng)界定為噪聲。故信道沖擊響應(yīng)變動(dòng)趨勢(shì)線中僅前2 μs的數(shù)據(jù)對(duì)于信道測(cè)量特性分析過(guò)程有用。

2.3.4 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換及歸一化處理

進(jìn)行收發(fā)信號(hào)距離求解時(shí)，必須將GNSS接收的經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成ECEF地心地固坐標(biāo)，地心地固坐標(biāo)系以地球質(zhì)心為原點(diǎn)而構(gòu)建，在后續(xù)建模過(guò)程中必須借助坐標(biāo)中心的自定義將ECEF坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成ENU局部站點(diǎn)坐標(biāo)系。

V2V信道分析時(shí)，必須應(yīng)用Z-score方法或最大最小值方法展開(kāi)數(shù)據(jù)歸一化處理。Z-score歸一化方法主要將樣本數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，得出歸一化結(jié)果；而最大最小值歸一化則通過(guò)系列處理將數(shù)據(jù)范圍限定在0～1之間。

3 信道特征分析

隧道場(chǎng)景下V2V信道傳播受環(huán)境、車流量影響較大，故通過(guò)時(shí)變信道脈沖響應(yīng)展開(kāi)描述。此處分別對(duì)大尺度路徑損耗、陰影衰落以及小尺度幅值衰落和均方根時(shí)延擴(kuò)展展開(kāi)分析。

3.1 大尺度路徑損耗及陰影衰落特征分析

3.1.1 路徑損耗特征

根據(jù)LOS場(chǎng)景下發(fā)射功率和距離的關(guān)系，收發(fā)兩車間的距離先增大后減小，兩車距離在16～35 m之間；接收功率則在43～28 dBm之間變化。根據(jù)LOS場(chǎng)景下對(duì)數(shù)距離路徑損耗擬合結(jié)果可知，由于隧道內(nèi)波導(dǎo)效應(yīng)的存在，隨著對(duì)數(shù)距離的縮短，與之相對(duì)應(yīng)的接收功率速度表現(xiàn)出顯著減緩趨勢(shì)。故在距離相同時(shí)，自由空間路徑損耗比隧道內(nèi)路徑損耗大3 dB；對(duì)數(shù)距離模型與ABG模型擬合出的LOS場(chǎng)景下數(shù)據(jù)路徑損耗指數(shù)為1.265 2，陰影衰落最大似然估計(jì)值為1.315 5 dB。

根據(jù)OLOS場(chǎng)景下發(fā)射功率和距離的關(guān)系，收發(fā)車間的距離在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中始終呈增大趨勢(shì)，兩車距離最大達(dá)到105 m；接收功率則表現(xiàn)出相應(yīng)減小的局面，取值主要位于?55～?35 dBm區(qū)間。應(yīng)用ABG模型和Log-Distance損耗模型展開(kāi)隧道內(nèi)運(yùn)行路徑損耗指數(shù)計(jì)算，結(jié)果為1.302 1，相對(duì)應(yīng)的陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差取1.889 1 dB。由此可見(jiàn)，對(duì)于公路隧道場(chǎng)景中距離相同的情況，自由空間損耗明顯超出隧道內(nèi)損耗。

由NLOS場(chǎng)景下發(fā)射功率和距離的動(dòng)態(tài)關(guān)系可知，信號(hào)收發(fā)車間的距離始終減小，兩車距離在最小達(dá)到220 m；接收功率則在?63～?50 dBm之間變化。按照與OLOS場(chǎng)景下相同的分析思路所得到的ABG模型和Log-Distance損耗模型路徑損耗指數(shù)為1.521 3，陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差則按照2.209 8 dB取值。

綜上，NLOS場(chǎng)景下路徑損耗指數(shù)比其余場(chǎng)景大，但比自由空間路徑損耗指數(shù)小，主要原因在于公路隧道內(nèi)波導(dǎo)效應(yīng)造成路徑損耗增長(zhǎng)速率的減緩；ABG模型與對(duì)數(shù)距離模型擬合效果基本一致。

3.1.2 陰影衰落

通過(guò)對(duì)不同場(chǎng)景下陰影衰落概率密度的比較，NLOS場(chǎng)景陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差比LOS場(chǎng)景和OLOS場(chǎng)景大1.0 dB和0.5 dB；三種場(chǎng)景下陰影衰落實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)概率密度擬合較好，且LOS場(chǎng)景陰影衰落幅值最高，NLOS場(chǎng)景陰影衰落范圍最廣。由此表明，大貨車在公路隧道內(nèi)部運(yùn)行期間所引起的路徑損耗和陰影衰落最為明顯，但由于隧道環(huán)境中波導(dǎo)效應(yīng)的存在，LOS場(chǎng)景、OLOS場(chǎng)景及NLOS場(chǎng)景下陰影衰落的差距并無(wú)自由空間環(huán)境下明顯。

3.2 小尺度幅值分布及時(shí)延擴(kuò)展特征分析

3.2.1 幅值擬合分布

在展開(kāi)信道小尺度幅值衰落分析前必須對(duì)接收信號(hào)幅值進(jìn)行歸一化處理，去除大尺度效應(yīng)。V2V信道中WSS窗口大小主要受收發(fā)車測(cè)量間隔和運(yùn)行速度的影響，故結(jié)合車輛運(yùn)行速度，將歸一化窗口設(shè)計(jì)為350個(gè)連續(xù)樣本施測(cè)。采用Nakagami-m、Weibull、Rayleigh、萊斯、對(duì)數(shù)正態(tài)、正態(tài)分布等進(jìn)行V2V信道小尺度幅值衰落特性描述，并得出相應(yīng)的擬合結(jié)果。

檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量按照式（2）[5]確定：

（2）

式中，ρ——檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，取值介于0～1之間，且越小越好；——上確界；——樣本累積分布函數(shù)；F（x）——服從理論分布樣本的累積分布函數(shù)。

根據(jù)擬合優(yōu)度結(jié)果，LOS場(chǎng)景下正態(tài)與萊斯分布對(duì)接收信號(hào)擬合效果較好，Rayleigh分布的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量值最大，擬合效果不良。OLOS場(chǎng)景下萊斯和Weibull分布的接收信號(hào)幅值擬合效果好，而對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合效果差。NLOS場(chǎng)景下Rayleigh和Nakagami-m的接收信號(hào)幅值擬合效果好，對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合效果差。

3.2.2 均方根時(shí)延擴(kuò)展

時(shí)域彌散主要因傳播環(huán)境改變及多徑到達(dá)時(shí)間的不同而引起。時(shí)域彌散會(huì)引起無(wú)線信號(hào)碼間干擾，造成測(cè)距誤差。接收路徑功率可通過(guò)功率時(shí)延譜描述。根據(jù)三種場(chǎng)景下功率時(shí)延譜檢測(cè)結(jié)果，LOS場(chǎng)景主路徑始終存在，時(shí)延隨著收發(fā)車距離的縮小而減??；OLOS和NLOS場(chǎng)景下主路徑微弱，接收功率強(qiáng)度相對(duì)較小?？梢?jiàn)，大型車輛等障礙物使接收信號(hào)明顯降低。隧道內(nèi)靜止的散射體會(huì)釋放高延遲信號(hào)反射徑；與信號(hào)收發(fā)車保持相對(duì)速度的其余通信車輛還會(huì)引起平行分量。

時(shí)域彌散特征可通過(guò)RMSDS定量分析。根據(jù)各信道脈沖響應(yīng)RMSDS累積分布函數(shù)，三種場(chǎng)景下均方根時(shí)延擴(kuò)展均值分別為65.649 8 ns、166.066 7 ns、505.992 5 ns。

4 結(jié)論

該文主要依托公路隧道工程實(shí)際，對(duì)隧道場(chǎng)景下V2V通信大尺度和小尺度衰落特征展開(kāi)研究，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果構(gòu)建起LOS、OLOS、NLOS場(chǎng)景下路徑損耗模型，主要得出以下結(jié)論：NLOS場(chǎng)景路徑損耗指數(shù)比其余兩個(gè)場(chǎng)景大，但因隧道內(nèi)波導(dǎo)效應(yīng)，三種場(chǎng)景下路徑損耗指數(shù)均比自由空間小。NLOS場(chǎng)景下大客車引起的陰影衰落達(dá)到2 dB，而其余場(chǎng)景下陰影衰落基本一致，意味著信號(hào)遮擋車輛尺寸對(duì)陰影衰落變化有較大影響。小尺寸擬合中NLOS場(chǎng)景接收功率服從瑞利分布，其余場(chǎng)景接收功率則服從萊斯分布。車輛遮擋引起的時(shí)域彌散仍較大。

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